grafeen, hexagonaal gerangschikte koolstofatomen in een enkele laag met superieure buigzaamheid en hoge geleidbaarheid, zou flexibele elektronica kunnen bevorderen volgens een door Penn State geleid internationaal onderzoeksteam. Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Professor in loopbaanontwikkeling aan het Department of Engineering Science and Mechanics (ESM) van Penn State, leidt de samenwerking, die onlangs twee studies publiceerde die onderzoek en ontwikkeling van toekomstige bewegingsdetectie zouden kunnen informeren, tactiele detectie- en gezondheidsbewakingsapparatuur.

Onderzoeken hoe laserverwerking de vorm en functie van grafeen beïnvloedt

Verschillende stoffen kunnen worden omgezet in koolstof om grafeen te maken door middel van laserstraling. Genaamd laser-geïnduceerd grafeen (LIG), het resulterende product kan specifieke eigenschappen hebben die bepaald worden door het originele materiaal. Het team testte dit proces en publiceerde hun resultaten in WETENSCHAP CHINA Technologische wetenschappen .

Monsters van polyimide, een soort kunststof, werden bestraald door middel van laserscanning. De onderzoekers varieerden de kracht, scansnelheid, aantal passages en dichtheid van scanlijnen.

"We wilden kijken hoe verschillende parameters van het laserverwerkingsproces verschillende nanostructuren creëren, "Zei Cheng. "Door de kracht te variëren, konden we LIG creëren in een vezel- of schuimstructuur."

De onderzoekers ontdekten dat lagere energieniveaus, van 7,2 watt tot ongeveer 9 watt, resulteerde in de vorming van een poreus schuim met veel ultrafijne lagen. Dit LIG-schuim vertoonde elektrische geleidbaarheid en een redelijke weerstand tegen hitteschade - beide eigenschappen die nuttig zijn in componenten van elektronische apparaten.

Door het vermogen te verhogen van ongeveer 9 watt naar 12,6 watt veranderde het LIG-vormingspatroon van schuim in bundels kleine vezels. Deze bundels werden groter in diameter met een groter laservermogen, terwijl een hoger vermogen de webachtige groei van een glasvezelnetwerk bevorderde. De vezelstructuur vertoonde een betere elektrische geleidbaarheid dan het schuim. Volgens Chen, deze verbeterde prestatie in combinatie met de vorm van de vezel zou mogelijkheden kunnen openen voor detectieapparatuur.

"In het algemeen, dit is een geleidend raamwerk dat we kunnen gebruiken om andere componenten te construeren, " zei Cheng. "Zolang de vezel geleidend is, we kunnen het als een steiger gebruiken en veel latere aanpassingen aan het oppervlak doen om een ​​aantal sensoren mogelijk te maken, zoals een glucosesensor op de huid of een infectiedetector voor wonden."

Variërend de laser scansnelheid, dichtheid en doorgangen voor de LIG gevormd bij verschillende vermogens beïnvloedden ook de geleidbaarheid en de daaropvolgende prestaties. Meer laserblootstelling resulteerde in een hogere geleidbaarheid, maar uiteindelijk gedaald als gevolg van overmatige carbonisatie door verbranding.

Demonstratie van een goedkope LIG-sensor

Gebruikmakend van de vorige studie als basis, Cheng en het team gingen aan de slag om te ontwerpen, fabriceer en test een flexibele LIG-druksensor. Ze rapporteerden hun resultaten in WETENSCHAP CHINA Technologische wetenschappen .

"Druksensoren zijn erg belangrijk, " zei Cheng. "We kunnen ze niet alleen in huishoudens en productie gebruiken, maar ook op het huidoppervlak om veel signalen van het menselijk lichaam te meten, zoals de pols. Ze kunnen ook worden gebruikt op de mens-machine-interface om de prestaties van prothetische ledematen te verbeteren of hun bevestigingspunten te bewaken."

Het team testte twee ontwerpen. Voor het eerst, ze plaatsten een dunne LIG-schuimlaag tussen twee polyimidelagen die koperen elektroden bevatten. Toen er druk werd uitgeoefend, de LIG wekte elektriciteit op. De holtes in het schuim verminderden het aantal wegen voor elektriciteit om te reizen, waardoor het gemakkelijker wordt om de drukbron te lokaliseren, en leek de gevoeligheid voor delicate aanrakingen te verbeteren.

Dit eerste ontwerp, wanneer bevestigd aan de rug van de hand of de vinger, gedetecteerde buigende en strekkende handbewegingen, evenals de karakteristieke percussie, vloedgolven en diastolische golven van de hartslag. Volgens Chen, deze hartslagmeting kan worden gecombineerd met een elektrocardiogrammeting om bloeddrukmetingen zonder manchet te verkrijgen.

In het tweede ontwerp de onderzoekers verwerkten nanodeeltjes in het LIG-schuim. Deze kleine bolletjes molybdeendisulfide, een halfgeleider die kan fungeren als geleider en isolator, verbeterde de gevoeligheid en weerstand van het schuim tegen fysieke krachten. Dit ontwerp was ook bestand tegen herhaald gebruik, met bijna identieke prestaties voor en na bijna 10, 000 gebruik.

Beide ontwerpen waren kosteneffectief en lieten een eenvoudige data-acquisitie toe, volgens Chen.

De onderzoekers zijn van plan om door te gaan met het verkennen van de ontwerpen als op zichzelf staande apparaten voor gezondheidsmonitoring of in combinatie met andere bestaande apparatuur.